DE3211725A1

DE3211725A1 - Detektor zur verwendung in optischen messgeraeten

Info

Publication number: DE3211725A1
Application number: DE19823211725
Authority: DE
Inventors: Osamu Kyoto Akiyama; Tetsuo Kusatsu Shiga Ichikawa
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1981-04-28
Filing date: 1982-03-30
Publication date: 1982-11-11
Also published as: US4444499A; JPS639610B2; GB2099991A; JPS57179646A; GB2099991B

Description

Detektor zur Verwendung in optischen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Detektor zur Verwendung in verschiedenen optischen Meßgeräten, wie Doppelstrahl-Spektralphotometern oder Geräten zur Messung des Lichtreflexionsvermögens einer Probe. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Detektor, der ein einziges photoelektrisches Element und einen Strahlmischer aufweist, der in der Nähe der pho.toempfindlich.en Oberfläche des Elements angeordnet ist, um alternierend zwei Lichtstrahlen, von denen einer von der zu messenden Probe kommt und der andere als Referenzstrahl verwendet wird, auf die photoempfindliche Oberfläche des einzigen photoelektrischen Elements zu richten.

30

Bei einem Gerät zur Messung des Reflexionsvermögens von Licht wird der aus einem Monochromator austretende Lichtstrahl von einem Strahlteiler in zwei Strahlen geteilt, von denen einer als Referenzstrahl verwendet wird, während der andere auf eine Probe in Form beispielsweise einer Platte zur Messung des von der Probe reflektierten Lichts projiziert wird..

r Rank IMiinrhenl Km 3939 B44

Postscheck (Münchonl Kto. 670-43-804

• · · α

"⁶~ DE 1972

Wenn unterschiedliche photoelektrische Elemente getrennt zur Messung des Referenz- und des Probenstrahls verwendet werden, ergeben sich bei der Messung des Lichtreflexionsvermögens einer Probe Fehler im Meßergebnis aufgrund von Drifterscheinungen und/oder Unterschieden in der Empfindlichkeitscharakteristik der beiden Elemente.

Zur Lösung dieser Schwierigkeiten können die beiden optischen Wege des Referenz- und des Probenstrahls zu einem einzigen Weg vereinigt werden, so daß die beiden Strahlen auf ein einziges photoelektrisches Element projiziert werden. Eine derartige Kombination erfordert jedoch verschiedene Spiegel, die zu dem optischen System hinzugefügt werden müssen, so daß das Gerät als Ganzes größer wird und sein innerer Aufbau komplizierter.

Dasselbe Problem tritt bei einem Doppelstrahl-Spektralphotometer auf.

Es ist Aufgabe der Erfindung, zu ermöglichen, daß mit einem einzigen photoelektrischen Element zwei Lichtstrahlen effizient gemessen werden können, ohne daß die Notwendigkeit besteht, irgendeine optische Einrichtung zur Kombination der Wege der beiden Lichtstrahlen in einen einzigen Weg zu verwenden. Ferner soll ein Detektor geschaffen werden, der im wesentlichen frei von Meßfehlern ist, die ansonsten durch lokale Unterschiede in der Empfindlichkeit der photoempfindlichen Oberfläche des Detektors hervorgerufen werden, und der Messungen mit einer verbesserten Ausbeute bei dem zur Messung verwendeten Licht erlaubt und der folglich eine höhere Empfindlichkeit hat. Darüberhinaus soll ein Detektor geschaffen werden, der erlaubt, daß ein optisches Meßinstrument, in das der Detektor eingebaut ist, eine kompakte Größe und einen einfachen Aufbau hat. Ferner soll ein optisches Meßinstrument geschaffen werden, daß diesen Detektor verwendet.

-7~ DE 1972

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher ■beschrieben. Ss zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Detektor mit einem erfindungsgemäß aufgebauten Strahlmischer,

Fig. 2 perspektivisch den in Fig. 1 gezeigten Detektor,

Fig. 3 perspektivisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. k schematisch ein Dcppelstrahl-Spektralphoto-]5 meter, bei dem der Detektor gemäß Fig. 1 verwendet wird, und

Fig. 5 schematisch ein Gerät zur Messung des Lichtreflexionsvermögens, das den Detektor gemäß Fig. 1 verwendet.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Strahlmischer BM gezeigt, der einen hohlen zylindrischen Körper 1 aufweist, dessen innere Wandfläche als Spiegelfläche la ausgebildet ist. Der Zylinder 1 ist an einem und zwar seinem unteren Ende mit einer Photomultiplierrohre 2 versehen, bei der der Lichtstrahl am Ende eingeführt wird. Der Strahlmischer BM weist ferner ein symmetrisches Paar von durchsichtigen Lichtdiffusionsplatten 3R und 3S auf, die am entgegengesetzten, d.h. am oberen Ende des Zylinders 1 vorgesehen sind und so ausgebildet sind, daß sie einen dachförmigen Aufbau bilden, dessen First 3a sich im Durchmesser des Zylinders erstreckt, d.h. die Achse X des Zylinders 1 senkrecht hierzu schneidet.

Der Zylinder 1 hat einen derartigen Innendurchmesser, daß die photoempfindliche Oberfläche 2a der Photomultiplierrohre 2 in das untere Ende des Zylinders 1 eingesetzt

"⁸" DE I972

werden kann, wobei ein geeigneter vorgegebener Abstand d zwischen der Lichtdiffusionsplatte 3R und 3S und der photoempfindlichen oberfläche 2a der Photomultiplierrohre 2 besteht.
5

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, hat jede der Diffusorplatten 3R und 3S die Form einer Ellipsenhälfte, die längs ihrer kleineren Achse aufgeschnitten ist, wobei die aufgeschnittenen Kanten der beiden Platten 3R und 3S einander mit einem Winkel Q zur Bildung der Kante bzw. des Firstes 3a des dachförmigen Aufbaus berühren. Die Mittelpunkte CS, CR der Licht-Diffusorplatten 3R und 3S stimmen mit dem Mittelpunkt der Hälfte der Länge der größeren Achse der Ellipse überein. 15

Der Winkel Q wird in Beziehung zu dem Abstand d (siehe Fig. 1) so bestimmt, daß die Lichtstrahlen LS und LR, die durch die Mittelpunkte CS und CR der Licht-Diffursorplatten 3S und 3R senkrecht hierzu gehen, die innere Spiegelfläche la des Zylinders 1 an den bezogen auf den Durchmesser gegenüberliegenden Seiten des Zylinders treffen, und von diesen reflektiert werden, so daß die reflektierten Lichtstrahlen am Mittelpunkt C der photoempfindlichen Oberfläche 2a der Photomultiplierrohre 2 auftreffen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Winkel Q 92°, er kann jedoch jeden beliebigen Winkelwert einnehmen, vorzugsweise im Bereich zwischen 80 und 100°.

Die Licht-Diffusorplatten 3R und 3S können aus jedem geeigneten Material, wie Milchglas, Quarz oder Pauspapier hergestellt werden. Wenn ein großer Wellenlängenbereich zwischen Ultraviolett und Infrarot abgedeckt werden soll, ist eine mattierte Quarzplatte vorzuziehen.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel· der Erfindung, bei dem ein rohrförmiger Körper 1', dessen Querschnitt rechteckig ist, anstelle des kreisförmigen in Fig. 1 eingesetzt wird. Die Länge der Diagonale des recht-

-9- DE 1972

eckigen Querschnitts des Körpers 1' ist vorzugsweise gleich oder etwas kleiner als der Durchmesser der photoempfindlichen oberfläche 2a der Photomultiplierröhre 2.

Fig. ^ zeigt schematisch ein Doppelstrahl-Spektralphot ometer, das einen Detektor D verwendet, der erfindungsgemäß entsprechend den Fig. 1, 2 oder 3 aufgetaut ist. Das Licht einer Lichtquelle 10 wird in einen Monochromator 11 eingeführt» der monochromatisches Licht mit einer "bestimmten Wellenlänge erzeugt. Ein sich drehender Sektorspiegel 12 bewirkt, daß sich das monochromatische Licht alternierend längs zweier optischer Wege LR und LS ausbreitet, deren Strahlen als Referenz- und Probenstrahlen bezeichnet werden und mit denselben Symbolen LR und LS wie die entsprechenden optischen Wege bezeichnet sind.

Spiegel 1^R und lte richten den Referenz- und den Probenstrahl LR und LS vom Sektorspiegel 12 auf einen Strahlmischer BM des Detektors D. Eine Referenzzelle I3R» die so ausg'ebildet ist, daß sie ein Referenzmaterial oder eine Flüssigkeit enthält, ist in dem Referenzstrahl LR nahe oder im wesentlichen in Kontakt mit der Licht-Diffusorplatte 3R des Strahlmischers angeordnet, während eine Probenzelle I3S, die so ausgebildet ist, daß sie ein Pr obenmaterial oder eine zu messende Flüssigkeit mit Lichtstreueigenschaft enthält, ist im Probenstrahl LS nahe oder im wesentlichen in Kontakt mit der anderen Diffusorplatte 3S des Strahlmischers angeordnet.

Die alternierenden Referenz- und Probenlichtstrahlen der Zellen werden von den Platten 3R und 3S diffus gemacht und dann von der inneren Spiegelfläche la des hohlen zylindrischen Körpers 1 bzWc 1' des Strahlmischers reflektiert, so daß sie alternierend die photoempfindliehe oberfläche 2a der Photomultiplierröhre 2 erreichen. Aufgrund der diffusen Charakteristik sind sowohl der Referenz- als auch der Probenlichtstrahl im wesentlichen gleichförmig und gleichmäßig über die gesamte photo-

• · · I

-10- DE I972

empfindliche Oberfläche der Photomultiplierrohre verteilt, so daß Fehler, die ansonsten in den Ergebnissen der Messungen aufgrund lokaler Unterschiede der Empfindlichkeit der photoempfindlichen Oberfläche der Photomultiplierröhre hervorgerufen werden würden, im wesentlichen vollständig beseitigt werden können und aufgrund der Reflexion an der inneren Spiegelfläche la des Zylinders 1 im wesentlichen das gesamte Licht der Zellen von der Photomultiplierrohre erfaßt werden kann, so daß die Ausbeute an dem von den Zellen verwendeten Licht wesentlich erhöht werden kann.

Wenn eine lichtstreuende Probe mit einem Doppelstrahl-Spektralphotometer mit einem einzigen herkömmlichen Detektor gemessen werden soll, muß die die Probe enthaltende Zelle unmittelbar vor dem Detektor angeordnet werden, damit der Detektor von der Probe so viel Licht wie möglich empfängt. Diese Anordnung macht es jedoch unmöglich, sowohl das Probenlicht als auch das Referenzlicht mit einem einzigen Detektor zu messen.

Damit ein einziger Detektor sowohl das Referenz- als auch das Probenlicht empfangen kann, muß er eine große photoempfindliche Oberfläche haben, wobei die Proben- und die Referenzzelle einigen Abstand vom Detektor hat, so daß sowohl der Proben- als auch der Referenzlichtstrahl auf dieselbe photoempfindliche Oberfläche auftreffen. Bei dieser Anordnung treffen jedoch der Proben- und der Referenzlichtstrahl auf unterschiedliche Teile oder Gebiete der photoempfindlichen Oberfläche des Detektors auf₉ an denen örtliche Unterschiede in der Empfindlichkeit unvermeidlich existieren, so daß die beiden Lichtstrahlen mit einem unterschiedlichen Empfindlichkeitsgrad gemessen werden, wodurch Meßfehler erzeugt werden. Diese Meßfehler können durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Detektors vollständig vermieden werden.

~^1λ~ DE I972

Die Ausgangssignale des Detektors D, die von dem Proben- bzw. Referenzstrahl hervorgerufen werden, werden von einem Verstärker 15 verstärkt und von einem Signal-Trennelement 16, das synchron mit dem sich drehenden Sektorspiegel 12 arbeitet, in Proben- und Referenzsignale SS und SR getrennt. Ein Verhältnis-Berechnungselement 18 berechnet das Verhältnis der beiden Signale und erzeugt ein Ausgangssignal entsprechend der Konzentration der Probe, das an ein Anzeigelement oder einen Schreiber 19 angelegt wird.

Fig. 5 zeigt schematisch ein Meßgerät zur Messung des ReflexionsVermögens von Licht, das einen Detektor D verwendet, wie er in den Fig. 1 oder 3 gezeigt ist. In Fig.

5 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 4 entsprechende Teile. Ein Monochromator 11 erzeugt monochromatisches Licht mit einer bestimmten Wellenlänge. Ein sich drehender Sektorspiegel 12 bewirkt, daß das monochromatische Licht sich alternierend längs des Referenz- bzw. des Probenwegs LR und LS ausbreitet.

Der Referenzstrahl an dem Weg LR trifft auf die Diffusorplatte 3R des Strahlmischers BM des Detektors D auf, während der Probenstrahl auf dem anderen Weg LS, der durch den Sektorspiegel 12 hindurchgeht, auf eine Probe S in Form einer Platte projiziert wird, deren Reflexionsvermögen gemessen werden soll. Die plattenförmige Probe S wird von einem geeigneten Element oder einer geeigneten Einrichtung, die nicht dargestellt ist, gehalten. Das von der plattenförmigen Probe S !reflektierte Licht wird erneut von einem Spiegel Ik reflektiert, so daß es auf die andere Diffusorplatte 3S des Strahlmischers alternierend mit dem Referenzstrahl LR auftrifft, der auf die Diffu-

sorplatte 3R auftrifft.
35

Die Ausgangssignale des Detektors D, die von diesen beiden Strahlen hervorgerufen werden, werden von einem Verstärker 15 verstärkt und von einem Signal-Trennele-

■· ·■·*

~¹²" DE 1972

ment l6, das synchron mit dem sich drehenden Sektorspiegel 12 arbeitet, in ein Proben- und ein Referenzsignal S3 bzw. SR getrennt, deren Verhältnis von einem Verhältnis-Berechnungselement 18 berechnet wird, das ein Ausgangssignal entsprechend dem Reflexionsvermögen für Licht der Probe erzeugt. Das Ausgangssignal wird an ein Anzeigegerät oder einen Schreiber I9 angelegt.

Erfindungsgemäß werden nachteilige Auswirkungen aufgrund lokaler Unterschiede in der Empfindlichkeit der photoempfindlichen Oberfläche eines einzigen Detektors nahezu vollständig beseitigt und nahezu das gesamte Licht, das den Strahlmischer erreicht, wird von der photoempfindlichen Oberfläche des Detektors erfaßt, wodurch sich eine große Verbesserung der Ausbeute des zur Messung verwendeten Lichts ergibt.

Beschrieben wird ein Detektor zur Verwendung in optiscnen Meßgeräten, wie einem Doppelstrahl-Spektralphotcrceter, der ein photoelektrisches Element mit einer photoempfindlichen Oberfläche und einen Strahlmischer aufweist, der in der Nähe der photoempfindlichen Oberfläche angeordnet ist, um zu bewirken, daß zwei alternierende Lichtstrahlen gleichmäßig und gleichförmig auf die photoerr.pfindliche Oberfläche des photoelektrischen Elements projiziert werden, um hierdurch Fehler zu beseitigen, die sich ansonsten aufgrund lokaler Unterschiede der Empfindlichkeit der photoempfindlichen Oberfläche des photoelektrischen Elements bei der Messung ergeben würden. Der Strahlmischer weist ein symmetrisches Paar von Licht-Diffus orplatten auf, die so angeordnet sind, daß sie einen dachförmigen Aufbau bilden, und einen rohrförmigen Körper auf, dessen eine Endöffnung durch das Paar von Licht-Diffusorplatten und dessen andere Endöffnung durch die photoempfindliche Oberfläche des photoelektrischen Elements verschlossen ist.

Claims

Patentansprüche

(Detektor zur Verwendung bei .einem optischen Meßgerät, gekennzeichnet durch ein photoelektrisches Element mit einer photoempfindlichen Oberfläche, ein Paar von Licht-Diffusorplatten, die derart symmetrisch angeordnet sind, daß sich die Platten entlang entsprechender Kanten unter Bildung eines bestimmten Winkels θ zur Bildung eines dachförmigen Aufbaus mit einem First, der durch die sich berührenden Kanten gebildet wird, berühren, wobei die Licht-Diffusorplatten einen bestimmten Abstand d von der photoempfindlichen Oberfläche des photoelektrischen Elements haben und mit diesem axial ausgerichtet sind, und eine Einrichtung, die den Raum zwischen den Licht-Diffusorplatten und der photoempfindlichen

25 Oberfläche einschließt.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das photoelektrische Element eine Photomultiplierröhre mit Einführung des Lichts am Ende ist;

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschlußeinrichtung ein rohrförmiges Element ist, dessen eine Endöffnung durch die Diffusorplatten und dessen andere Endöffnung durch das photoelektrische Element verschlossen ist, wobei die photoempfindliche Oberfläche nach innen in das rohrförmige Element zeigt.

-2- DE 1972

k. Detektor nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Element einen kreisförmigen Querschnitt hat.

5· Detektor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Element einen quadratischen Querschnitt hat.

■ 6. Detektor nach einem der Ansprüche 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des rohrförmigen Elements einen Spiegel aufweist.

7. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel θ im Bereich zwischen 80 und 100° liegt.

8. Detektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel- Q und die Länge d so bestimmt sind, daß die durch das Paar von Licht-Diffusorplatten senkrecht zu diesen hindurchgehenden Lichtstrahlen von der inneren Spiegelfläche des rohrförmigen Elements auf gegenüberliegenden Seiten so reflektiert werden, daß die optischen Achsen der reflektierten Lichtstrahlen im wesentlichen mit dem Mittelpunkt der photoempfindlichen Oberfläche des photoelektrischen Elements übereinstimmen.

9. Detektor nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel Q und die Länge d so bestimmt sind, daß die optischen Achsen der durch das Paar von Licht-Diffusorplatten senkrecht zu diesen hindurchgehenden Lichtstrahlen im wesentlichen mit dem Mittelpunkt der photoempfindlichen Oberfläche des photoelektrischen Elements übereinstimmen.

10. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht-Diffusorplatten aus einem aus Quarz, Milchglas oder Pauspapier bestehenden Element hergestellt sind.

11. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet„

-3- DE 1972

daß die Licht-Diffusorplatten die Form einer Halbellipse haben, die durch Abschneiden einer Ellipse längs deren kleinerer Achse entstanden ist.

12. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht-Diffusorplatten quadratisch (rechteckig) sind.

13. Doppelstrahl-Spektralphotometer, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung eines monochromatischen Lichtstrahls, eine Einrichtung, die bewirkt, daß sich der Lichtstrahl alternierend längs eines ersten und eines zweiten optischen Wegs ausbreitet, einen Detektor, der ein photoelektrisches Element mit einer photoempfindliehen oberfläche aufweist, ein Paar von Licht-Diffusorplatten, die im wesentlichen symmetrisch derart angeordnet sind, daß sich die Platten entlang entsprechenden Kanten unter einem bestimmten Winkel zur Bildung eines im wesentlichen dachförmigen Aufbaus berühren, dessen First durch/tlie sieh berührenden Kanten gebildet wird, wobei die Licht-Diffusorplatten einen bestimmten Abstand von der photoempfindlichen Oberfläche des photoelektrischen Elements haben und mit dieser axial ausgerichtet sind, und eine optische Einrichtung, die den Strahl des ersten Wegs auf eine der Licht-Diffusorplatten richtet und den Strahl des zweiten optischen Wegs auf die andere der Licht-Diffusorplatten, eine in dem Strahl des ersten optischen Wegs angeordnete erste Zelle und eine in dem Strahl des zweiten optischen Wegs angeordnete zweite Zelle.

14. Gerät nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die erste als auch die zweite Zelle im wesentlichen in Kontakt mit einer Platte des' Paars von Licht-Diffusorplatten besteht.

15« Gerät zur Messung des Lichtreflexionsvermögens einer Probe, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur

-4- DE 1972

Erzeugung eines monochromatischen Lichtstrahls, eine Einrichtung, die bewirkt, daß sich der Lichtstrahl alternierend längs eines ersten und eines zweiten Wegs ausbreitet, einen Detektor, der ein photoelektrisches Element mit einer photoempfindlichen Oberfläche aufweist, ein Paar von ■ Licht-Diffusorplatten, die im wesentlichen symmetrisch so angeordnet sind, daß sich die Platten längs entsprechender Kanten unter einem bestimmten Winkel zur Bildung eines im wesentlichen dachförmigen Aufbaus berühren, dessen First von den sich berührenden Kanten gebildet wird, wobei die Licht-Diffusorplatten einen bestimmten Abstand von der photoempfindlichen Oberfläche des photoelektrischen Elements haben und mit dieser im wesentlichen axial ausgerichtet sind, eine Einrichtung, die eine Probe entweder in dem ersten oder in dem zweiten Weg so anordnet, daß der Lichtstrahl dieses Wegs durch die Probe reflektiert wird, eine optische Einrichtung, die den Lichtstrahl dieses Wegs, wenn er von der Probe reflektiert wird, auf eine der Diffusor plat ten des Detektors richtet und den Lichtstrahl des anderen Wegs"auf die andere Licht-Diffusorplatte, und eine Einrichtung, an die die Ausgangssignale des Detektors aufgrund der Lichtstrahlen des ersten und des zweiten Wegs angelegt werden, um ein Signal entsprechend dem Lichtreflexionsvermögen der Probe zu erzeugen.